隨著煉化加氫反應器床層溫度的精確測量和控制的更高需求，本文對比分析幾種熱電偶在加氫反應器床層溫度測量的應用，著重介紹了多點鎧裝熱電偶的優(yōu)點、結構、分類及工程應用需要注意的方面。
在固定床加氫裝置中，反應物流從反應器頂部進入，在催化劑的作用下物料間發(fā)生化學反應，放出熱量，因此沿反應器軸向存在催化劑床層溫升。當催化劑床層入口分配器設計不好、催化劑部分床層結構損壞、有大的工藝條件變動等情況下，床層的某一橫斷面上不同位置的溫度也有可能不同，即催化劑床層徑向溫升。當反應溫升過高而不加以控制時,可能導致如下后果：
①反應器內(nèi)形成高溫反應區(qū)
反應物流在高溫區(qū)內(nèi)激烈反應，放出更多的反應熱，使反應溫度更高，如此惡性循環(huán)，可能損壞催化劑，甚至可能引起催化劑床層"飛溫"，引發(fā)事故。
②催化劑隨著運轉時間的推移逐漸失活
當提高反應溫度加以彌補時，將使靠近反應器下部高溫區(qū)的催化劑過早地達到設計的最高操作溫度，而被迫停工。而處于反應器上部低溫區(qū)的催化劑仍有較高的活性，沒有得到利用,因而影響裝置經(jīng)濟效益。
③對產(chǎn)品質(zhì)量和選擇性不利
在加氫處理反應中，當反應溫度提高到某一數(shù)值后，平衡轉化率下降，使脫氮率、芳烴飽和率下降，產(chǎn)品質(zhì)量下降。在加氫裂化反應中，過高的反應溫度會加速二次裂解反應，導致餾分選擇性下降，氣體產(chǎn)量增加。
因此對反應器的軸向溫度和徑向溫度都要進行檢測，測溫點數(shù)分布越均勻、越詳細越能全面地反映反應器內(nèi)床層溫度的變化。
1、反應溫度的控制方案
反應溫升主要通過催化劑床層間注入的冷氫量進行控制，把催化劑床層分成幾段，控制每段入口溫度，就會控制好每段出口溫度，這樣最后一段入口溫度達到給定值，出口溫度就能滿足要求。盡量保持各段催化劑床層的入口溫度相同，每段床層溫升不大于10-20℃(根據(jù)工藝過程確定)，保證反應器的正常運行。為保證反應器床層溫度控制的平穩(wěn)可靠，溫度控制方式為切換方式操作。正常操作時采用床層入口處熱電偶平均溫度值或選較高溫度值進行控制。
2、床層溫度測量點的設置
準確測量反應器床層的溫度是控制的關鍵。由于反應器既存在軸向溫差又存在徑向溫差，為了全面準確地反映反應器的溫度變化，同一高度床層測溫點平均分布，按設備直徑大小及工藝要求，一般反應器床層入口為3-4點或6-10點，出口為6-10點或12-24點，測溫點越多反應的床層溫度越全面。測量熱電偶在每個催化劑床層按上下兩層或上中下三層設置。通過測量不同高度但同一圓周方位的床層溫度，了解床層中反應的程度。通過觀察在同一高度但不同圓周方位的床層溫度，了解反應物流分布均勻程度。反應器物流分布不均可通過觀察反應器同一截面溫差來判別。
3、床層溫度測量熱電偶形式比較
反應器床層溫度的測量形式多樣，如圖1所示。按安裝方式分為徑向安裝和軸向安裝；按熱電偶形式分為單點電偶和多點電偶。多點電偶安裝方式有溫度套管安裝和直接安裝。
圖1 反應器床層溫度測量熱電偶形式
①單點熱電偶徑向安裝
單支懸臂式鎧裝熱電偶橫向插入設備內(nèi)的承壓保護套管中，測量床層直徑15%-30%處溫度。如圖2所示。結構簡單,價格便宜，安裝固定方便，但每個測溫點都要在反應器上設置開口，設備開口多，泄漏點也相應增加。懸臂結構在催化劑下沉或裝卸催化劑的時候，由于作用于熱電偶的保護套管的壓力很大，保護套管容易彎曲或斷裂。此種方式無法測量靠近反應器中間部位的溫度。為防止承壓保護套管破裂時泄露,熱電偶連接可帶滿足承壓要求的卡套接頭：一端1/2″NPT(M)，另一端6mm卡套。1/2″NPT(M)側與設備法蘭蓋上的1/2″NPT螺紋相連接密封,熱電偶鎧套從6mm側插入反應器。
圖2 單點熱電偶徑向安裝示意
②帶套管多點熱電偶軸向安裝
反應器頂端設有測溫元件的安裝法蘭接口,熱電偶從反應器頂端豎直插入至底部。熱電偶的保護套管比較長,套管內(nèi)的3-5支熱電偶分別測量不同高度的床層溫度。熱電偶安裝、固定、維護都比較困難。裝卸催化劑的時候也要特別注意。特點是設備開口少,一般只開3-4個熱電偶嘴子，因此泄漏點少。而且設備頂部封頭的壁厚比筒體的壁厚相對薄些，因此焊接和開口相對容易。由于反應器頂部空間有限,每個床層一般只能測量3-4個點的溫度。此種方式多見于只有一個床層的反應器,反應器內(nèi)構件不多，熱電偶套管安裝也相對簡單。
圖3 反應器床層溫度測量帶套管多點熱電偶軸向安裝
③專用套管多點熱電偶徑向安裝
反應器設置專用于熱電偶的保護套管,跨越整個反應器的截面,一端固定,另一端有支架或吊架,有一定的靈活度。特點是設備開口相對較少，一般一個測溫層面只開一個開口，泄漏點少，由于另一端有支架或吊架支撐,因此克服剪應力有一定優(yōu)勢。但熱電偶的套管橫穿反應器中心，此種結構對于催化劑的裝卸會造成一定難度，也會對人員在反應器內(nèi)操作形成障礙。每個床層一般只能測量3-4個點的溫度,如果需要測量更多部位的溫度,則要再設置一個熱電偶的保護套管，但為了保持一定維護空間，另一套需要在垂直距離1m以上設置,這樣反應器內(nèi)部的結構就會復雜。這種安裝方式的熱電偶可采用無保護式和鎧裝式兩種。
圖4 反應器床層溫度測量專用套管多點鎧裝熱電偶徑向安裝
④多點鎧裝熱電偶徑向安裝方式
目前在國內(nèi)外加氫裝置中開始應用。采用多點鎧裝熱電偶共用法蘭方式，每套可測量至少2個點。由于鎧裝熱電偶可以在一定范圍內(nèi)彎曲，可以按適當?shù)穆窂椒笤O到需要測量溫度的地方，不受外保護套管的路徑限制，同一法蘭可以通過多只熱電偶。這樣，在徑向的每個測溫處只要設一個溫度開口，相對泄漏點少，法蘭開口處還可以設置檢測泄漏和二次封閉的措施，提高了防泄漏的安全性能。鎧裝熱電偶雖然較細，但能承受比較高的壓力,而且可以比較自由地彎曲，在反應器內(nèi)的安裝和路徑分布較方便。雖然每層只開一個口，安裝維護比較方便，但造價比較高。這種多點鎧裝熱電偶有單管單點式和單管多點式兩種，單管單點式在同一法蘭上裝數(shù)支為一套；單管多點式在同一法蘭上裝一支或數(shù)支為一套。兩種方式都可實現(xiàn)多點測量。
圖5 反應器床層溫度測量整體鎧裝多點熱電偶徑向安裝方式
高壓反應器熱電偶的形式中，圖2、圖3、圖4適用于反應器直徑不是很大，高度不高，催化劑床層不多的情況。圖2的安裝形式由于使用普通鎧裝熱電偶而結構簡單，造價便宜，在國內(nèi)的加氫裝置中比較常用。近年來隨著加氫裝置大型化的發(fā)展，圖5形式的整體鎧裝多點熱電偶的應用逐步多起來。
4、單支多點鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點熱電偶
①結構和形式
多點鎧裝熱電偶是一種可檢測多個溫度點的熱電偶，不需在設備內(nèi)部設置加厚的承壓套管，單支多點鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點熱電偶鎧裝護套能承受壓力，并可在一定范圍內(nèi)進行彎曲，不會影響接頭和內(nèi)部的測量元件和線路，因此只需要一個開口就可以在反應器同一平面或不同平面的不同位置設置測溫點，如圖6所示。
圖6 多點鎧裝熱電偶安裝示意
多點鎧裝熱電偶也具有不同的型式，應用較廣的主要有兩種:
a、單支多點鎧裝熱電偶
一套法蘭上裝有多支獨立的鎧管，每個鎧管是一支單點鎧裝熱電偶，分別測量各溫度點，如圖7所示。典型的規(guī)格為：外徑可做到8mm，偶絲直徑可以做到1.37mm，鎧管厚度為1.57mm。
圖7 單支多點鎧裝熱電偶安裝示意
b、整體鎧裝多點熱電偶
整體鎧裝多點熱電偶為一套法蘭上裝有一支或多支獨立的鎧管，每個鎧管中包含不同長度的多點熱電偶，可以測量同一平面或不同平面的多個溫度點，如圖8所示。典型的規(guī)格為：每支鎧管有4-8點熱電偶，鎧管外徑可做到9.5mm，偶絲直徑可以做到0.81mm，鎧管厚度為2mm。
圖8 整體鎧裝多點鎧裝熱電偶安裝示意
②多點鎧裝熱電偶特點
a、測溫點數(shù)多，范圍廣
以往為了保證反應器內(nèi)安全，一般能安裝的熱電偶套管數(shù)量有限，最多3-4根,這樣測溫點的數(shù)量和排列都會受到很大的限制，當反應器的直徑很大時，傳統(tǒng)的套管方式很難實現(xiàn)理想的測量需要。而多點鎧裝熱電偶可以彎曲敷設，靈活分布，測量的點數(shù)也比較多，每個測溫層可以達到10-32個溫度點，可以更全面地反映反應器內(nèi)部溫度。可以檢測反應器底部靠近出口或頂部靠近入口的溫度，給溫度測量帶來方便。
b、響應時間快，測量精度高
帶有加厚套管的熱電偶對溫度的傳遞有較大的滯后。多點鎧裝熱電偶由于沒有加厚的套管，自身鎧管壁厚在1-2mm左右，熱傳導的效果要好得多，減少了溫度測量的滯后。
c、安全性能好
高壓、臨氫的場合對于安全要求很高。反應器多點熱電偶系統(tǒng)，安全問題主要有兩種可能：熱電偶鎧管破裂；過程接口發(fā)生泄漏。大多數(shù)多點鎧裝熱電偶都采用二次密封技術，截留可能從第一層密封逸出的氣體并泄放出去；如果第一級密封泄漏，設備還可以繼續(xù)運轉；通過壓力指示儀表可判斷第一級密封是否完好。多點鎧裝熱電偶本身具有很高的耐壓性能和耐拉伸性能。
d、安裝靈活
可從反應器頂部或底部進入安裝，也可從反應器側面安裝，不需要加厚的承壓保護套管。
③單支多點鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點熱電偶的比較
除了具有上述共同的特點外，兩種型式的熱電偶由于結構差別，也有各自的特點：
a、多點鎧裝熱電偶
每支熱電偶都是單支鎧管的設計，單支鎧管破損不會對其他點造成影響；每個溫度點熱電偶的安裝不受其他熱電偶影響，這樣為檢修停工時小范圍修改反應器溫度點的位置提供了可能。但由于每個測點都要分別固定，安裝時間長，安裝支架也比較復雜，在反應器內(nèi)的分布面較大，形成一些障礙。此種單支多點鎧裝熱電偶也可做成雙式，但測量點是一個。單支多點鎧裝熱電偶采用端點豎直安裝形式。在安裝時端點需要留有50-75mm的裸露長度以免受任何金屬安裝支架對溫度的影響。
圖8 單支多點鎧裝熱電偶結構示意圖
b、整體鎧裝多點熱電偶
整體鎧裝多點熱電偶每支鎧管中有4-11個熱電偶點，每套法蘭可裝配多支鎧管，溫度測量點更多，泄漏點更少，配置更靈活。通過特殊加工，鎧管中間填充壓縮的氧化鎂，保證整體鎧裝多點熱電偶的穩(wěn)固和提高鎧管的耐壓和密封性能。這種結構安裝簡單，支架和緊固件用量少，因此節(jié)省安裝時間和成本。對反應器內(nèi)的空間影響小。
圖9 整體鎧裝多點熱電偶結構示意圖
以上兩種方式的多點鎧裝熱電偶都在國內(nèi)外加氫裝置中得到了成功應用。單支多點鎧裝熱電偶的方式應用時間較長，數(shù)量稍多。鎧裝整體多點熱電偶結構比較新，制造技術更先進，能成產(chǎn)的廠家少，綜合成本比獨立單支多點鎧裝熱電偶要高。昌暉儀表制造有限公司是多點鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點熱電偶的專業(yè)制造廠，放心選購這兩種熱電偶。
④法蘭開口數(shù)量的選擇
多點鎧裝熱電偶測量點數(shù)多，安裝靈活，因此如何設置法蘭開口也是使用的實際問題。如圖8所示，在床層中間設置一個法蘭口，幾套熱電偶從一個法蘭口進入，分別測量床層上部、下部的溫度，這樣的設置可以節(jié)省很多投資,但當床層高于10m的時候，在反應器里進行豎向長距離的熱電偶敷設會產(chǎn)生溝流。因此可以考慮床層上部和下部分別設置法蘭開口。
圖10 多點鎧裝熱電偶安裝示意
⑤安裝注意事項
多點鎧裝熱電偶不需要在反應器內(nèi)部提供套管，但仍需要一些安裝支架或支撐。有的多點熱電偶的安裝支架需要在反應器的器壁上固定或利用加氫反應器的分配盤固定，應由熱電偶供貨商提供詳細的圖紙和要求給反應器制造廠，并在制造廠里完成焊接工作。有些反應器制造廠不允許在反應器的器壁上進行焊接，因此這也是熱電偶選擇和安裝需要考慮的問題。
多點熱電偶的安裝所需要的支撐一般可分為三種情況：反應器底部、床層上部、床層下部。在反應器底部時，由反應器制造商將支撐件焊接在內(nèi)壁上，采用一些橫梁或托架與預先焊在內(nèi)壁上的支撐件相連接，用于支撐熱電偶，如圖11所示。如果內(nèi)壁無法焊接，可以考慮將熱電偶的安裝支架固定在出口收集器上，位置盡量與測溫點水平。在反應器床層下部時，位置盡量要靠近塔盤，由反應器制造商將基本安裝支撐件焊接在反應器塔盤的支撐橫梁上，采用螺栓連接的支撐件，將熱電偶支撐在橫梁的上方。反應器床層上部，由反應器制造商將支撐件焊接在反應器橫梁下，采用一些吊架，將熱電偶吊在橫梁的下方。支撐件分兩種：和反應器內(nèi)壁及橫梁焊接的支撐件，需要焊接；螺栓連接的安裝熱電偶的支撐件。
圖11 多點鎧裝熱電偶安裝支撐件示意
多點鎧裝熱電偶的安裝是在所有反應器內(nèi)件安裝完畢、裝填催化劑前要完成的最后一道工序，應該提前為安裝多點鎧裝熱電偶準備好梯子、平臺、照明和通風等必要的安裝條件。
5、選擇床層溫度測量熱電偶的因素
反應器床層溫度測量儀表的選擇需要考慮適用性。根據(jù)裝置情況，選擇既能滿足裝置安全生產(chǎn)需要，經(jīng)濟成本又最合理的方案。如加氫處理反應不如加氫裂化劇烈，溫升也不如加氫裂化快，溫度控制要求也更寬泛些，對于加氫處理選擇圖2普通鎧裝熱電偶徑向安裝也能達到控制要求。根據(jù)工藝情況和要求也可以采用幾種方式的熱電偶混合使用的方式。比如每個床層的底部是反應最劇烈的地方，溫度也上升最快，直接關系到裝置的安全，因此所測溫度參與裝置的聯(lián)鎖，溫度一旦超出高限就報警聯(lián)鎖。此處可使用圖5整體鎧裝多點鎧裝熱電偶，測量這一平面6-24個點的溫度，可比較全面地反應溫度的變化。每個床層的上部即入口處，反應不是很劇烈，此處溫度一般用于控制注入冷氫的流量，可采用圖2(使用普通鎧裝熱電偶)或圖4(多點鎧裝熱電偶或整體鎧裝多點熱電偶均可)的方式，測量3-4點的溫度。這樣既節(jié)省了投資，又可以達到控制要求。
多點鎧裝熱電偶和整體鎧裝多點熱電偶已經(jīng)在國內(nèi)外的煉化裝置中得到了應用,取得了好的應用效果，其測量點數(shù)多、響應快、安全可靠、靈活的特點為全面準確地反映反應器的溫度提供了好的選擇。
作者：中國石化工程建設公司 王京慧
